RU2723395C1 - Scintillation material and method for its production - Google Patents
Scintillation material and method for its production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2723395C1 RU2723395C1 RU2020105233A RU2020105233A RU2723395C1 RU 2723395 C1 RU2723395 C1 RU 2723395C1 RU 2020105233 A RU2020105233 A RU 2020105233A RU 2020105233 A RU2020105233 A RU 2020105233A RU 2723395 C1 RU2723395 C1 RU 2723395C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- scintillation
- range
- temperature
- scintillation material
- value
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
- C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
- C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
- C09K11/55—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing beryllium, magnesium, alkali metals or alkaline earth metals
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
- C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
- C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
- C09K11/77—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
- C09K11/7706—Aluminates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
- C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
- C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
- C09K11/77—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
- C09K11/7715—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals containing cerium
- C09K11/7721—Aluminates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
- C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
- C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
- C09K11/77—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals
- C09K11/7766—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing rare earth metals containing two or more rare earth metals
- C09K11/7774—Aluminates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
- C30B15/007—Pulling on a substrate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
- C30B15/02—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt
- C30B15/04—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt adding doping materials, e.g. for n-p-junction
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/16—Oxides
- C30B29/22—Complex oxides
- C30B29/28—Complex oxides with formula A3Me5O12 wherein A is a rare earth metal and Me is Fe, Ga, Sc, Cr, Co or Al, e.g. garnets
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
- C30B33/02—Heat treatment
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
- G01T1/202—Measuring radiation intensity with scintillation detectors the detector being a crystal
- G01T1/2023—Selection of materials
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Luminescent Compositions (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к сцинтилляционным материалам со структурой граната, а именно к неорганическим монокристаллам, активированным ионами редкоземельного элемента церия Се, в которых под действием ионизирующих излучений возникают световые вспышки сцинтилляций, и предназначенным для датчиков ионизирующего изучения в задачах медицинской диагностики, экологического мониторинга, неразрушающего контроля и разведке полезных ископаемых, экспериментальной физике, устройствах для измерения в космосе. Изобретение относится также к технологии получения сцинтилляционных монокристаллов со структурой граната, содержащих ионы гадолиния и иттрия, легированных ионами Се и Be, солегированных одним из элементов второй группы Mg, Са, Sr для модификации сцинтилляционных свойств монокристалла.The invention relates to scintillation materials with a garnet structure, in particular to inorganic single crystals activated by ions of the rare-earth element cerium Ce, in which light flashes of scintillations occur under the action of ionizing radiation, and are intended for sensors of ionizing studies in medical diagnostics, environmental monitoring, non-destructive testing and mineral exploration, experimental physics, space measuring devices. The invention also relates to a technology for producing scintillation single crystals with a garnet structure containing gadolinium and yttrium ions doped with Ce and Be ions, co-alloyed with one of the elements of the second group Mg, Ca, Sr to modify the scintillation properties of the single crystal.
Люминофоры применяют для преобразования различных видов энергии в световую. Сцинтилляторы - это люминофоры, в которых кратковременные световые вспышки - сцинтилляции (вспышки люминесценции), возникают под действием ионизирующих излучений. Атомы или молекулы сцинтиллятора за счет энергии заряженных частиц переходят в возбужденное состояние, а последующий переход из возбужденного в нормальное состояние сопровождается испусканием люминесценции, также называемой сцинтилляцией. Механизм сцинтилляции, ее спектр излучения и длительность высвечивания зависят от природы центров люминесценции и материала, куда они внедрены.Phosphors are used to convert various types of energy into light. Scintillators are phosphors in which short-term flashes of light - scintillations (flashes of luminescence) occur under the influence of ionizing radiation. The atoms or molecules of the scintillator due to the energy of charged particles go into an excited state, and the subsequent transition from an excited to a normal state is accompanied by the emission of luminescence, also called scintillation. The scintillation mechanism, its emission spectrum, and the duration of emission depend on the nature of the luminescence centers and the material where they are embedded.
Излучаемое количество фотонов пропорционально поглощенной энергии ионизирующего излучения, что позволяет получать энергетические спектры этого излучения. В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприемнике, преобразуется в электрический сигнал, который усиливается и записывается той или иной регистрирующей системой. Спектр высвечивания сцинтилляционного материала должен быть оптимально согласован со спектральной чувствительностью используемого фотоприемника. Несогласованный со спектральной чувствительностью приемника спектр высвечивания сцинтилляционного материала ухудшает энергетическое разрешение сцинтилляционного детектора.The emitted number of photons is proportional to the absorbed energy of ionizing radiation, which allows one to obtain the energy spectra of this radiation. In a scintillation detector, the light emitted during scintillation is collected at a photodetector, converted into an electrical signal, which is amplified and recorded by one or another recording system. The emission spectrum of scintillation material should be optimally matched with the spectral sensitivity of the photodetector used. The emission spectrum of the scintillation material inconsistent with the spectral sensitivity of the receiver impairs the energy resolution of the scintillation detector.
Свечение сцинтиллятора может быть обусловлено как свойствами основного материала, так и наличием примеси - активатора. Сцинтилляторы, которые светятся без активатора, называются самоактивированными. Для увеличения светового выхода, т.е. количества фотонов, излучаемых сцинтиллятором при поглощении определенного количества энергии, в кристалл вводят так называемый активатор. Активатор образует в основном веществе (основании) центры свечения.The scintillator glow can be due to both the properties of the base material and the presence of an impurity, an activator. Scintillators that glow without an activator are called self-activated. To increase the light output, i.e. the number of photons emitted by the scintillator during the absorption of a certain amount of energy, the so-called activator is introduced into the crystal. The activator forms glow centers in the main substance (base).
Кристаллические сцинтилляторы характеризуют следующие свойства: длина волны (λмакс.), которая соответствует максимуму спектра люминесценции; диапазон прозрачности сцинтиллятора в области длины волны (λмакс.); постоянная времени кинетики высвечивания (τ); световой выход, которые определяются при заданной (рабочей) температуре. Способность детектировать ионизирующее излучение характеризуют плотность основного вещества; эффективный атомный номер (Zэфф.); показатель преломления.Crystal scintillators characterize the following properties: wavelength (λ max ), which corresponds to the maximum of the luminescence spectrum; scintillator transparency range in the wavelength region (λ max ); flashing kinetics time constant (τ); light output, which are determined at a given (working) temperature. The ability to detect ionizing radiation characterize the density of the basic substance; effective atomic number (Z eff. ); refractive index.
Сцинтилляционный детектор - это устройство для регистрации ионизирующих излучений и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, γ-квантов и т.д.), основными элементами которого являются материал, люминесцирующий под действием заряженных частиц (сцинтиллятор) и фотоприемник. Детектирование нейтральных частиц (нейтронов, γ-квантов) происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии нейтронов и γ-квантов с атомами сцинтиллятора.A scintillation detector is a device for recording ionizing radiation and elementary particles (protons, neutrons, electrons, γ-quanta, etc.), the main elements of which are material that is luminescent under the influence of charged particles (scintillator) and a photodetector. Detection of neutral particles (neutrons, γ-quanta) occurs by secondary charged particles formed by the interaction of neutrons and γ-quanta with scintillator atoms.
Для спектрометрии γ-квантов и заряженных частиц в широком диапазоне энергий используют материалы, обладающие высокой плотностью и высоким эффективным атомным номером. Эффективность регистрации γ-квантов определяется плотностью вещества и эффективным атомным номером Zэфф. Кинетика сцинтилляций определяет загрузочную способность детектора и время набора данных при заданной статистике. Выход сцинтилляций определяет энергетическое разрешение при регистрации нейтральных частиц: γ-квантов и нейтронов; а также заряженных частиц: электронов, позитронов, протонов и ионизированных ядер. В совокупности эффективность регистрации, энергетическое разрешение и кинетика сцинтилляций определяют возможность применения и область использования сцинтилляционного материала для регистрации ионизирующего излучения.For spectrometry of γ-quanta and charged particles in a wide energy range, materials are used that have a high density and a high effective atomic number. The detection efficiency of gamma rays is determined by the density of matter and the effective atomic number Z eff. The kinetics of scintillation determines the load capacity of the detector and the time of data acquisition for a given statistic. The output of scintillations determines the energy resolution during registration of neutral particles: γ-quanta and neutrons; as well as charged particles: electrons, positrons, protons and ionized nuclei. Together, the registration efficiency, energy resolution, and kinetics of scintillations determine the applicability and scope of the scintillation material for recording ionizing radiation.
Известны сцинтилляторы на основе кросс-люминесценции, которые обладают наиболее коротким временем высвечивания сцинтилляций (см. P.Lecoq, et.al., Inorganic Scintillators for Detector Systems, 2017, Springer, P. 408). Постоянная времени затухания быстрой компоненты сцинтилляции составляет 600 пикосекунд, однако ее выход не превышает 2000 фотонов на 1 МэВ поглощенной энергии γ-квантов, что делает детектор на его основе малопригодным для спектометрии γ-квантов и использовании в медицинской диагностике и устройствах неразрушающего контроля, использующих спектр источников рентгеновского и γ-излучения в диапазоне энергий до 1 МэВ.Cross-luminescence scintillators are known that have the shortest scintillation emission time (see P. Lecoq, et.al., Inorganic Scintillators for Detector Systems, 2017, Springer, P. 408). The decay time constant of the fast scintillation component is 600 picoseconds, but its output does not exceed 2000 photons per 1 MeV of absorbed γ-ray energy, which makes the detector based on it unsuitable for γ-ray spectrometry and use in the medical diagnostics and non-destructive testing devices using the spectrum X-ray and γ-ray sources in the energy range up to 1 MeV.
Известны самоактивированные сцинтилляционные монокристаллы CeBr3, Bi4Ge3O12, CdWO4, PbWO4, которые обладают высокой эффективностью регистрации ионизирующего излучения, однако кристаллы Bi4Ge3O12, CdWO4 обладают медленно затухающими сцинтилляциями, а кристаллы PbWO4 обладают низким выходом сцинтилляций (патент US, 7279120; патент RU, 2031987, а также патент RU, 2132417). Для увеличения светового выхода самоактивированный сцинтилляционный кристалл охлаждают, что хорошо работает в кристаллах такого типа, структурные единицы которых (окси-анионные комплексы) обладают значительно температурно-потушенной люминесценцией. В кристаллах PbWO4 охлаждение до температуры минус 25°С позволяет утроить его световыход, при одновременном сохранении короткого времени высвечивания, однако это не обеспечивает приемлемое энергетическое разрешение при регистрации γ-квантов в энергетическом диапазоне менее 1 МэВ, что делает их малопригодными для применения в устройствах медицинской диагностики. При увеличении температуры происходит дополнительное температурное тушение сцинтилляций, в диапазоне температур от 20-150°С выход сцинтилляций в Bi4Ge3O12 убывает с коэффициентом -1.2%/градус, что приводит почти к полному тушению сцинтилляций при 100°С. Кристаллы CeBr3 (патент US, 7405404) обладают высоким выходом сцинтилляции и короткой кинетикой высвечивания сцинтилляций, однако кристаллы являются сильно гигроскопичными, трудны в производстве и непригодны для изготовления детекторных матриц, состоящих из множества сцинтилляционных элементов и используемых в медицинской диагностике.Self-activated scintillation single crystals of CeBr 3 , Bi 4 Ge 3 O 12 , CdWO 4 , PbWO 4 are known, which have high detection efficiency of ionizing radiation, however, Bi 4 Ge 3 O 12 , CdWO 4 crystals have slowly decaying scintillations, and PbWO 4 crystals have low scintillation output (US patent, 7279120; RU patent, 2031987, and RU patent, 2132417). To increase the light output, a self-activated scintillation crystal is cooled, which works well in crystals of this type, the structural units of which (oxy-anion complexes) have significantly temperature-quenched luminescence. In PbWO 4 crystals, cooling to a temperature of minus 25 ° С allows you to triple its light output while maintaining a short luminescence time, but this does not provide an acceptable energy resolution when registering γ-rays in the energy range of less than 1 MeV, which makes them unsuitable for use in devices medical diagnosis. With increasing temperature, additional temperature quenching of scintillations occurs; in the temperature range from 20-150 ° С, the output of scintillations in Bi 4 Ge 3 O 12 decreases with a coefficient of -1.2% / degree, which leads to almost complete quenching of scintillations at 100 ° С. CeBr 3 crystals (US patent 7405404) have a high scintillation yield and short scintillation emission kinetics, however, the crystals are highly hygroscopic, difficult to manufacture, and unsuitable for the manufacture of detector arrays consisting of many scintillation elements and used in medical diagnostics.
Широко используемым типом сцинтилляционных материалов являются активированные сцинтилляторы. Разнообразие параметров сцинтилляторов можно получить варьируя активаторы и состав основания (см. P.Lecoq, et.al., Inorganic Scintillators for Detector Systems, 2017, Springer, p. 408, Международная патентная заявка PCT/EP2001/001838; международная публикация WO/2001/060945). Наиболее распространенным активатором для создания сцинтилляционных материалов с высоким выходом и быстрой кинетикой затухания является ион Се в трехвалентном состоянии. В отличие от самоактивированных сцинтилляционных кристаллов, люминесценция сцинтилляционного монокристалла, легированного ионами церия, обусловлена межконфигурационной d-f люминесценцией, имеющей высокий квантовый выход и незначительный эффект тушения вблизи комнатной температуры. Известны сцинтилляционные монокристаллы, активированные ионами церия Се (содержание активатора в кристаллической матрице составляет величину на уровне от десятых долей процента до единиц процентов), которые обладают одним из самых больших выходов сцинтилляций (см., например, патент US, 10197685, патент US, 8278624, патент US, 7250609, патент US, 7479637). Среди сцинтилляционных кристаллов, активированных ионами церия, присутствуют материалы со структурой граната, обладающей кубической пространственной группой симметрии. Эти кристаллы являются наиболее технологичными, позволяют получать широкий спектр композиций для применения в сцинтилляционных детекторах.A widely used type of scintillation materials are activated scintillators. A variety of scintillator parameters can be obtained by varying activators and base composition (see P. Lecoq, et.al., Inorganic Scintillators for Detector Systems, 2017, Springer, p. 408, International Patent Application PCT / EP2001 / 001838; international publication WO / 2001 / 060945). The most common activator for creating scintillation materials with a high yield and fast decay kinetics is the Ce ion in the trivalent state. In contrast to self-activated scintillation crystals, the luminescence of a scintillation single crystal doped with cerium ions is due to inter-configuration d-f luminescence, which has a high quantum yield and a slight quenching effect near room temperature. Known scintillation single crystals activated by cerium Ce ions (the content of the activator in the crystalline matrix is from tenths of a percent to units of percent), which have one of the largest scintillation yields (see, for example, US patent 10197685, US patent 8278624 U.S. Patent 7,250,609; U.S. Patent 7479637). Among the scintillation crystals activated by cerium ions, there are materials with a garnet structure having a cubic space symmetry group. These crystals are the most technologically advanced; they allow one to obtain a wide range of compositions for use in scintillation detectors.
В отличие от самоактивированных сцинтилляторов, в сцинтилляторах на основе церий активированных кристаллов, температурная зависимость выхода сцинтилляций определяется энергетическим зазором между дном зоны проводимости и излучательным состоянием ионов церия. При повышении температуры происходит термическая ионизация электронов из возбужденного состояния активатора в зону проводимости, что приводит к уменьшению выхода сцинтилляций и, как следствие, к ухудшению энергетического разрешения. При понижении температуры, мелкие ловушки электронов и дырок, образующиеся в кристаллах на основе точечных дефектов, обеспечивают дополнительные медленные компоненты в сцинтилляции, а также фосфоресценцию, что приводит к увеличению уровня послесвечения в кристалле, перераспределению излучаемого света в пользу фосфоресценции, уменьшению выхода сцинтилляций и, как следствие, к ухудшению энергетического разрешения.Unlike self-activated scintillators, in cerium-based scintillators of activated crystals, the temperature dependence of the scintillation yield is determined by the energy gap between the bottom of the conduction band and the radiative state of cerium ions. With increasing temperature, thermal ionization of electrons from the excited state of the activator to the conduction band occurs, which leads to a decrease in the yield of scintillations and, as a consequence, to a decrease in the energy resolution. With decreasing temperature, small electron and hole traps formed in crystals based on point defects provide additional slow components in scintillation, as well as phosphorescence, which leads to an increase in the level of afterglow in the crystal, redistribution of the emitted light in favor of phosphorescence, and a decrease in the yield of scintillations and, as a result, a deterioration in energy resolution.
Известен сцинтилляционный материал в виде алюмо-иттриевого граната Y3Al5O12, активированного ионами церия Се3+ для регистрации γ-квантов. В монокристаллическом виде материал обладает максимальной плотностью 4,55 г/см3 и эффективным зарядом Zэфф.=32, что обеспечивает эффективную регистрацию низкоэнергетических γ-квантов и электронов, кристалл обладает малой зависимостью выхода сцинтилляций от температурыKnown scintillation material in the form of yttrium aluminum garnet Y 3 Al 5 O 12 activated by cerium ions Ce 3+ for registration of γ-quanta. In a single crystalline form, the material has a maximum density of 4.55 g / cm 3 and an effective charge Z eff. = 32, which ensures efficient registration of low-energy γ-quanta and electrons, the crystal has a small temperature dependence of the scintillation yield
(https://www.crystals.saint-gobain.com/sites/imdf.crystals.com/files/documents/yag-material-data-sheet_69775.pdf): в диапазоне температур 25-150°С температурный коэффициент изменения выхода сцинтилляций составляет величину - 0.24%/градус, однако материал остается неэффективным для использования для регистрации γ-квантов с энергией более 500 кэВ, используемых, например, в позитронно-эмиссионных томографах и приложениях, использующих измерение в геологоразведочных скважинах, при повышенных температурах. Выход сцинтилляций такого материала не превышает 30000 фот/МэВ, что в совокупности с малым эффективным зарядом Zэфф. делает его малопригодным для спектрометрических измерений γ-квантов с энергией более 500 кэВ.(https://www.crystals.saint-gobain.com/sites/imdf.crystals.com/files/documents/yag-material-data-sheet_69775.pdf): in the temperature range 25-150 ° С the temperature coefficient of change of the output scintillation is - 0.24% / degree, however, the material remains ineffective for use for recording γ-quanta with energies of more than 500 keV, used, for example, in positron emission tomographs and applications that use measurement in exploration wells at elevated temperatures. The scintillation yield of such a material does not exceed 30000 ph / MeV, which in combination with a small effective charge Z eff. makes it unsuitable for spectrometric measurements of gamma rays with energies of more than 500 keV.
Патентный документ JP, 20130433960 раскрывает сцинтилляционный кристалл алюмо-лютециевого граната Lu3Al5O12 для регистрации γ-квантов. В монокристаллическом виде кристалл обладает максимальной плотностью 6,7 г/см3 и эффективным зарядом Zэфф=63, что обеспечивает эффективную регистрацию γ-квантов в широком диапазоне энергий. При активации празеодимом (Yanagida et. al., Jpn. J. Appl. Phys. (2013) 52, 07640) выход сцинтилляций имеет сложную зависимость от температуры: при увеличении температуры от 20 до 80°С возрастает с коэффициентом плюс 0.3% / градус, а в диапазоне 80-150°С уменьшается с коэффициентом минус 0.7%/градус. Как результат, уменьшение выхода сцинтилляций в указанном температурном диапазоне составляет не более 30% по отношению комнатной температуре. Однако выход сцинтилляций такого материала не превышает 16000 фот/МэВ, что делает его малопригодным для спектрометрических измерений γ-квантов с энергией более 500 кэВ и в широком диапазоне температур.JP Patent Document 20130433960 discloses a scintillation crystal of a Lu 3 Al 5 O 12 alumina-lutetium garnet for detecting gamma rays. In a single-crystalline form, the crystal has a maximum density of 6.7 g / cm 3 and an effective charge Z eff = 63, which ensures efficient registration of γ-quanta in a wide energy range. When activated by praseodymium (Yanagida et. Al., Jpn. J. Appl. Phys. (2013) 52, 07640), the yield of scintillations has a complex temperature dependence: with an increase in temperature from 20 to 80 ° C, it increases with a coefficient of plus 0.3% / degree , and in the range of 80-150 ° C decreases with a coefficient of minus 0.7% / degree. As a result, a decrease in the yield of scintillations in the indicated temperature range is not more than 30% with respect to room temperature. However, the scintillation yield of such a material does not exceed 16,000 photons / MeV, which makes it unsuitable for spectrometric measurements of γ-quanta with energies of more than 500 keV and in a wide temperature range.
Укорочение кинетики сцинтилляций в неорганических материалах со структурой граната на основе иттрия достигается в смешанных гранатах (на основе ионов иттрия, ионов алюминия и галлия) при активации соединения ионами церия (O.Sidletskiy et al., Enginering of bulk and fiber-shaped YAGG:Ce scintillator crystals, CrysEngCom (2017) 6, 1001-1007). Сцинтилляционный монокристалл Y3Ga3Al2O12, активированный ионами церия или солегированный, обладает быстрой кинетикой сцинтилляций и может использоваться для регистрации γ-квантов. Однако, частичная замена ионов алюминия ионами галлия не приводит к существенному увеличению плотности и Zэфф, что делает его малопригодным для спектрометрических измерений γ-квантов с энергией более 500 кэВ и в широком диапазоне температур.The shortening of the kinetics of scintillation in inorganic materials with a yttrium-based garnet structure is achieved in mixed garnets (based on yttrium ions, aluminum and gallium ions) when the compound is activated by cerium ions (O.Sidletskiy et al., Enginering of bulk and fiber-shaped YAGG: Ce scintillator crystals, CrysEngCom (2017) 6, 1001-1007). The scintillation single crystal Y 3 Ga 3 Al 2 O 12 , activated by cerium ions or co-ionized, has fast scintillation kinetics and can be used to detect gamma rays. However, the partial replacement of aluminum ions by gallium ions does not lead to a significant increase in the density and Z eff , which makes it unsuitable for spectrometric measurements of γ quanta with energies of more than 500 keV and in a wide temperature range.
Сложный состав и структура известного сцинтилляционного кристалла, включающего ионы иттрия, галлия и алюминия, например, Y3Ga3Al2O12, а также склонность одного из основных компонентов - галлия, улетучиваться из расплава, обуславливают повышенную концентрацию дефектов, в частности, кислородных вакансий (см. Lamoreaux R Н., et all. "High Temperature Vaporization Behavior of Oxides II. Oxides of Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, Zn, Cd, and Hg" J. Phys. Chem. Ref,1987, data 16 419-43). Кислородные вакансии являются центрами захвата электронов, что обуславливает фосфоресценцию в сцинтилляционном материале за счет туннелирования электронов к центрам люминесценции - трехвалентным ионам церия Се3+. Для устранения захвата кислородными вакансиями неравновесных электронов в кристалл дополнительно в шихту для выращивания кристалла вводятся ионы второй группы, Mg, Ca, Sr, неизовалентно замещающие ионы иттрия Y. Ионы Mg, Ca, Sr замещают в матрице ионы иттрия. При указанном неизовалентном замещении в кристаллической матрице граната образуется глубокий центр захвата электронов, который обеспечивает быстрый перезахват захваченных носителей с более мелких уровней, предотвращая тем самым взаимодействие за счет туннелирования носителей с мелких ловушек к ионам церия Се3+и гадолиния Gd3+. Захваченный глубоким уровнем электрон рекомбинирует по безызлучательному каналу. Неизовалентное легирование обеспечивает уменьшение уровня фосфоресценции.The complex composition and structure of the known scintillation crystal, including yttrium, gallium and aluminum ions, for example, Y 3 Ga 3 Al 2 O 12 , as well as the tendency of one of the main components, gallium, to escape from the melt, cause an increased concentration of defects, in particular, oxygen vacancies (see Lamoreaux R N., et all. "High Temperature Vaporization Behavior of Oxides II. Oxides of Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb , Zn, Cd, and Hg "J. Phys. Chem. Ref. 1987, data 16 419-43). Oxygen vacancies are electron capture centers, which leads to phosphorescence in scintillation material due to electron tunneling to luminescence centers - trivalent cerium ions Ce 3+ . In order to eliminate the capture of nonequilibrium electrons by oxygen vacancies, ions of the second group, Mg, Ca, Sr, non-isovalently replacing yttrium Y ions are introduced into the crystal in addition to the crystal growth mixture. Mg, Ca, Sr ions replace yttrium ions in the matrix. With the indicated non-isovalent substitution, a deep electron capture center is formed in the garnet crystalline matrix, which ensures fast capture of the trapped carriers from lower levels, thereby preventing interaction due to tunneling of carriers from small traps to cerium ions Ce 3+ and gadolinium Gd 3+ . Trapped in a deep level, an electron recombines through a non-radiative channel. Non-isovalent doping provides a decrease in phosphorescence.
Увеличение выхода сцинтилляций в неорганических материалах со структурой граната достигается путем замены ионов иттрия либо лютеция в сырье для выращивания кристаллов ионами гадолиния (см., например, патент US, 9193903 и патент JP, 2014094996), а ионов алюминия - парой ионов: алюминия и галлия при активации соединения ионами церия. Такие соединения получены в виде поликристаллической прозрачной керамики (Cherepy NJ, Seeley ZM, Payne SA, Beck PR, Drury OB, O'Neal SP, Morales Figueroa K, Hunter S, Ahle L, Thelin PA, Stefanik T, Kindem J (2013) Development of Transparent Ceramic Ce-Doped Gadolinium Garnet Gamma Spectrometers. IEEE Trans Nucl Sci 60: 2330-2335). Керамика иттрий-гадолиний-алюминий-галлиевого граната со структурной формулой (Y-Gd)3Al2Ga3O12, активированная ионами церия, обладает высоким выходом сцинтилляций, плотностью 5,8 г/см3, эффективным зарядом Zэфф=45 и обеспечивают высокое энергетическое разрешение при регистрации γ-квантов. Недостатком известной сцинтилляционной керамики является наличие медленных компонент в кинетике сцинтилляции, что не позволяет ее использовать при высоких загрузках при детектировании γ-квантов.An increase in the yield of scintillations in inorganic materials with a garnet structure is achieved by replacing yttrium or lutetium ions in the raw materials for growing crystals with gadolinium ions (see, for example, US patent 9193903 and JP patent 2014094996), and aluminum ions with a pair of ions: aluminum and gallium upon activation of the compound by cerium ions. Such compounds were obtained in the form of polycrystalline transparent ceramics (Cherepy NJ, Seeley ZM, Payne SA, Beck PR, Drury OB, O'Neal SP, Morales Figueroa K, Hunter S, Ahle L, Thelin PA, Stefanik T, Kindem J (2013) Development of Transparent Ceramic Ce-Doped Gadolinium Garnet Gamma Spectrometers. IEEE Trans Nucl Sci 60: 2330-2335). Ceramics of yttrium-gadolinium-aluminum-gallium garnet with the structural formula (Y-Gd) 3 Al 2 Ga 3 O 12 , activated by cerium ions, has a high scintillation yield, a density of 5.8 g / cm 3 , effective charge Z eff = 45 and provide high energy resolution during registration of γ-quanta. A disadvantage of the known scintillation ceramics is the presence of slow components in the kinetics of scintillation, which does not allow it to be used at high loads when detecting γ quanta.
Доля медленных компонент в кинетике сцинтилляций и фосфоресценция сцинтилляционного материала, активированного ионами церия, существенно уменьшаются при со-активации сцинтилляционного вещества двухвалентными ионами Mg, Ca, Sr. Известны сцинтилляционные монокристаллические материалы Gd3Al2Ga3O12, активированные ионами церия и со-активированные ионами магния Mg с небольшой концентрацией, порядка 10 ррм, (G.Tamulaitis et al., Improvement of the time resoltion of radiation detectors based on Gd3Al2Ga3O12 scintillators with SiPM readout, IEEE Trans. Nucl. Sci. (2019) 66, issue 7), полученные по методу Чохральского. Содопирующие примеси вводятся в расплав и, с небольшим градиентом вдоль оси выращивания, распределяются в кристалле. В таких кристаллах медленные компоненты и фосфоресценция существенно подавлены. Однако дополнительная со-активация неизовалентными ионами Mg с равномерным распределением по объему трудно достигается в процессе производства керамики, особенно при малых количествах соактиватора Mg. Введение содопирующей примеси в значительных количествах приводит к уменьшению выхода сцинтилляций, что обусловлено уменьшением содержания ионов церия в трехвалентном состоянии Се3+. Так, при увеличении содержания ионов магния до 0,4% выход сцинтилляций в монокристалле Gd3Al2Ga3O12 уменьшается в 2 раза. Таким образом, недостатком известного сцинтилляционного материала Gd3Al2Ga3O12, активированного ионами церия Се3+ и соактивированного Mg, является пониженный выход сцинтилляций по отношению к сцинтилляционному материалу Gd3Al2Ga3O12, активированному ионами церия.The fraction of slow components in the kinetics of scintillations and the phosphorescence of scintillation material activated by cerium ions significantly decrease upon co-activation of the scintillation material by divalent ions Mg, Ca, Sr. Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 scintillation single crystal materials are known, activated by cerium ions and co-activated by magnesium ions of Mg with a low concentration of about 10 ppm, (G. Tamulaitis et al., Improvement of the time resoltion of radiation detectors based on Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 scintillators with SiPM readout, IEEE Trans. Nucl. Sci. (2019) 66, issue 7), obtained by the Czochralski method. Co-doping impurities are introduced into the melt and, with a small gradient along the growth axis, are distributed in the crystal. In such crystals, slow components and phosphorescence are substantially suppressed. However, additional co-activation by non-isovalent Mg ions with a uniform volume distribution is difficult to achieve during ceramic production, especially with small amounts of Mg co-activator. The introduction of co-doping impurities in significant quantities leads to a decrease in the yield of scintillations, which is due to a decrease in the content of cerium ions in the trivalent state of Ce 3+ . Thus, with an increase in the content of magnesium ions to 0.4%, the yield of scintillations in the Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 single crystal decreases by a factor of 2. Thus, a disadvantage of the known scintillation material Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 , activated by cerium ions Ce 3+ and coactivated Mg, is the reduced yield of scintillations with respect to the scintillation material Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 , activated by cerium ions.
Из патента RU, 2646407 известен сцинтилляционный материал в монокристаллическом виде со структурой граната, активированный ионами церия и соактивированный ионами магния и титана и описываемый химической формулой ((Gd1-rYr)1-s-xMesCex)3-z(Ga1-y-qAlyTiq)5+zO12. Комбинированная активация позволяет достигать улучшенных эксплуатационных параметров, выхода сцинтилляций, амплитудного разрешения, временного разрешения при понижении температуры в диапазоне температур от -45°С до +20°С, что позволяет существенно улучшить эксплуатационные параметры детекторов за счет понижения шумов полупроводниковых фото-приемников (M.Korjik et al., Significant improvement of GAGG:Ce based scintillation detector performance with temperature decrease, NIM A 871(2017)42-46; G.Tamulaitis et.al., Improvement of the Time Resolution of Radiation Detectors Based on Gd3Al2Ga3O12 Scintillators With SiPM Readout, IEEE Trans. Nucl. Sci. 66(2019)1879-1888]. Однако, при повышении температуры в область температур выше 50°С выход сцинтилляций такого кристалла претерпевает значительное уменьшение, а по достижении температуры 150°С практически равен нулю.Monocrystalline scintillation material with a garnet structure activated by cerium ions and co-activated by magnesium and titanium ions and described by the chemical formula ((Gd 1-r Y r ) 1-sx Me s Ce x ) 3-z (Ga 1-yq Al y Ti q ) 5 + z O 12 . Combined activation allows achieving improved operational parameters, scintillation yield, amplitude resolution, and time resolution at lower temperatures in the temperature range from -45 ° C to + 20 ° C, which can significantly improve the operational parameters of the detectors by reducing the noise of semiconductor photodetectors (M .Korjik et al., Significant improvement of GAGG: Ce based scintillation detector performance with temperature decrease, NIM A 871 (2017) 42-46; G. Tamulaitis et.al., Improvement of the Time Resolution of Radiation Detectors Based on Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 Scintillators With SiPM Readout, IEEE Trans. Nucl. Sci. 66 (2019) 1879-1888]. However, when the temperature rises above 50 ° C, the yield of scintillations of such a crystal undergoes a significant decrease, and upon reaching temperature of 150 ° C is practically zero.
В настоящее время отсутствуют сцинтилляционные материалы, которые обладали бы оптимальной совокупностью параметров для решения задач, упомянутых выше. В уровне техники имеется потребность в сцинтилляционных материалах, сочетающих высокий выход сцинтилляций в широком диапазоне температур от плюс 25°С до плюс 150°С, включительно, а также высокую эффективность регистрации ионизирующего излучения и короткое время высвечивания сцинтилляций при минимальном уровне медленных компонент и послесвечения материала. Такая потребность обусловлена, например, условиями эксплуатации материала в скважинах, предназначенных для разведки углеводородов, где, в зависимости от метода измерений используется детектирование как естественной радиоактивности породы вокруг скважины в зависимости от глубины, так и γ-квантов, индуцированных в породе источниками нейтронов. Высокий выход сцинтилляций в сочетании с быстрой кинетикой обеспечивают высокие временное и энергетическое разрешение сцинтилляционного детектора в широком диапазоне как энергий, так и температур.Currently, there are no scintillation materials that would possess the optimal set of parameters for solving the problems mentioned above. In the prior art, there is a need for scintillation materials combining a high scintillation yield over a wide temperature range from plus 25 ° C to plus 150 ° C, inclusive, as well as high detection efficiency of ionizing radiation and short scintillation emission times with a minimum level of slow components and afterglow of the material . Such a need is caused, for example, by the operating conditions of the material in wells designed for hydrocarbon exploration, where, depending on the measurement method, the detection of both the natural radioactivity of the rock around the well depending on the depth and γ-quanta induced in the rock by neutron sources is used. High scintillation yield in combination with fast kinetics provide high temporal and energy resolution of the scintillation detector in a wide range of both energies and temperatures.
Сцинтилляционные свойства материалов существенно зависят от методов их получения. Люминесцентные и сцинтилляционные свойства материалов, полученные различными методами, являются далеко не тождественными. Наблюдаемые различия оптических свойств кристаллов, прежде всего, связаны с различиями в основных типах и концентрациях дефектов структуры гранатов, которыми у монокристаллов гранатов являются различного вида вакансии, включая кислородные, а также перераспределение основных компонентов в структуре граната вследствие диссоциативного испарения его легколетучих компонентов, обладающих высокими значениями давления насыщенного пара, например, различные субоксиды галлия Ga3+ или алюминия Al3+. Образование таких дефектов является неизбежным следствием высокой температуры роста объемных кристаллов гранатов из расплава (температура порядка 1700°С -2000°С). Концентрация таких дефектов в легированных редкоземельными ионами кристаллах гранатов является сравнимой с концентрацией ионов-активаторов. При использовании газовых сред с разным парциальным давлением кислорода для роста кристаллов в них также наблюдаются существенные различия в концентрациях вакансионных дефектов, прежде всего вакансий кислорода.The scintillation properties of materials substantially depend on the methods for their preparation. The luminescent and scintillation properties of materials obtained by various methods are far from identical. The observed differences in the optical properties of crystals are primarily associated with differences in the main types and concentrations of defects in the structure of garnets, which are different types of vacancies in garnet single crystals, including oxygen, as well as the redistribution of the main components in the structure of garnet due to the dissociative evaporation of its highly volatile components with high saturated vapor pressure, for example, various suboxides of gallium Ga 3+ or aluminum Al 3+ . The formation of such defects is an inevitable consequence of the high growth temperature of bulk crystals of garnets from the melt (temperature of about 1700 ° C -2000 ° C). The concentration of such defects in garnet crystals doped with rare-earth ions is comparable with the concentration of activator ions. When using gaseous media with different oxygen partial pressures for crystal growth, significant differences are also observed in the concentration of vacancy defects, primarily oxygen vacancies.
В смешанных гранатах наблюдается дополнительное дефектообразование, связанное с разупорядоченной структурой вследствие случайного распределения матрицеобразующих ионов в кристаллической решетке. Разупорядочение структуры приводит к существенной случайной модуляции дна зоны проводимости и, как следствие, к образованию множественности мелких ловушек неравновесных носителей, образованных в сцинтилляторе при взаимодействии с ионизирующим излучением. Это приводит к возрастанию доли медленных компонент в импульсе сцинтилляции. Разупорядочение не может быть устранено в смешанных кристаллах в силу случайного распределения однотипных ионов в кристалле, однако его влияние может быть минимизировано использованием дополнительных легирующих добавок к церию.In mixed garnets, additional defect formation is observed due to a disordered structure due to the random distribution of matrix-forming ions in the crystal lattice. The disordering of the structure leads to significant random modulation of the bottom of the conduction band and, as a result, to the formation of a multiplicity of small traps of nonequilibrium carriers formed in the scintillator during interaction with ionizing radiation. This leads to an increase in the fraction of slow components in the scintillation pulse. The disorder cannot be eliminated in mixed crystals due to the random distribution of ions of the same type in the crystal, but its effect can be minimized by using additional doping additives to cerium.
В рамках данной заявки решается комплексная задача получения монокристалла со структурой граната для сцинтилляционных датчиков с достаточной плотностью и эффективным зарядом Zэфф, который позволил бы получить в расширенном диапазоне температур от плюс 25°С до плюс 150°С, включительно, наибольший выход сцинтилляций при одновременном укорочении длительности основной компоненты кинетики сцинтилляций и минимального уровня послесвечения для регистрации γ-квантов в широком диапазоне энергий. Решается также задача получения монокристалла со структурой граната, пригодного для спектрометрических измерений γ-квантов в широком диапазоне энергий и диапазоне температур от плюс 25°С до плюс 150°С, включительно.Within the framework of this application, the complex task of obtaining a single crystal with a garnet structure for scintillation sensors with a sufficient density and effective charge Z eff , which would allow to obtain in the extended temperature range from plus 25 ° С to plus 150 ° С, inclusive, the highest yield of scintillations with simultaneous shortening the duration of the main component of the kinetics of scintillations and the minimum level of afterglow for detecting gamma rays in a wide energy range. The problem of obtaining a single crystal with a garnet structure that is suitable for spectrometric measurements of gamma rays in a wide energy range and temperature range from plus 25 ° C to plus 150 ° C, inclusive, is also being solved.
Кроме того, решается задача разработки технологии получения таких оксидных монокристаллов со структурой граната для модификации их сцинтилляционных и оптических свойств путем легирования ионами церия и бериллия и солегирования элементами второй группы Mg, Ca, Sr.In addition, the task of developing a technology for producing such oxide single crystals with a garnet structure is solved to modify their scintillation and optical properties by doping with cerium and beryllium ions and segregating with elements of the second group Mg, Ca, Sr.
Поставленная задача решается тем, что сцинтилляционный материал со структурой граната для сцинтилляционных датчиков представляет собой соединение, описываемое химической формулой ((Gd1-rYr)1-s-xMesCex)3-z(Ga1-y-qAlyBeq)5+zO12, где величина q находится в диапазоне от 0,00001 до 0,02; величина r находится в диапазоне от 0.05 до 0.95; величина х находится в диапазоне от 0,001 до 0,01; величина у находится в диапазоне от 0,2 до 0,6; величина z находится в диапазоне от -0,2 до 0,2; величина s находится в диапазоне от 0,0001 до 0,1, при этом Me обозначает, по крайней мере, один элемент из ряда Mg, Ca, Sr.The problem is solved in that a scintillation material with a garnet structure for scintillation sensors is a compound described by the chemical formula ((Gd 1-r Y r ) 1-sx Me s Ce x ) 3-z (Ga 1-yq Al y Be q ) 5 + z O 12 , where the q value is in the range from 0.00001 to 0.02; the value of r is in the range from 0.05 to 0.95; the value of x is in the range from 0.001 to 0.01; the value of y is in the range from 0.2 to 0.6; the value of z is in the range from -0.2 to 0.2; the value of s is in the range from 0.0001 to 0.1, while Me denotes at least one element from the series Mg, Ca, Sr.
Предпочтительно, что при облучении гамма-квантами упомянутого выше соединения флуоресцентная составляющая генерирует излучение на длине волны в диапазоне 480-680 нм, а световой выход при температуре 25°С составляет величину не менее 51000 фот/МэВ.It is preferable that upon irradiation with gamma rays of the aforementioned compound, the fluorescent component generates radiation at a wavelength in the range of 480-680 nm, and the light output at a temperature of 25 ° C is not less than 51,000 ph / MeV.
Кроме того предпочтительно, что световой выход при облучении гамма-источником Cs-137 с энергией гамма-квантов 662 кэВ при температуре плюс 150°С составляет величину не менее 20000 фот/МэВ, при этом световой выход при облучении гамма-источником Cs-137 с энергией гамма-квантов 662 кэВ при температуре в диапазоне температур 25-150°С меняется со скоростью не более -0.4%/градус, а длительность основной компоненты кинетики сцинтилляций составляет величину не более 55 нс.In addition, it is preferable that the light output when irradiated with a Cs-137 gamma source with an energy of 662 keV gamma rays at a temperature of + 150 ° C is at least 20,000 phot / MeV, while the light output when irradiated with a Cs-137 gamma source the energy of gamma rays of 662 keV at a temperature in the temperature range of 25-150 ° C varies with a speed of no more than -0.4% / degree, and the duration of the main component of the kinetics of scintillation is not more than 55 ns.
Целесообразно также, что доля основной компоненты кинетики сцинтилляций составляет величину не менее 85%; а уровень фосфоресценции через 100 с составляет величину не более 0,5%.It is also advisable that the proportion of the main component of the kinetics of scintillation is at least 85%; and the phosphorescence level after 100 s is no more than 0.5%.
Поставленная задача решается также тем, что способ получения сцинтилляционного материала со структурой граната для сцинтилляционных датчиков, представляющего собой соединение, описываемое химической формулой ((Gd1-rYr)1-s-xMesCex)3-z(Ga1-y-qAlyBeq)5+zO12, включает предварительное приготовление шихты стехиометрического состава в соответствии с химической формулой из смеси оксидов Gd, Y, Ga, Al, Mg, Be, а также введение церия в виде соединения, взятого из ряда оксид или фторид или хлорид, а также Ba или Sr или Ca в виде карбоната, и последующее выращивание монокристаллов из полученной шихты по методу Чохральского.The problem is also solved by the fact that the method of obtaining scintillation material with a garnet structure for scintillation sensors, which is a compound described by the chemical formula ((Gd 1-r Y r ) 1-sx Me s Ce x ) 3-z (Ga 1-yq Al y Be q ) 5 + z O 12 , includes the preliminary preparation of a mixture of stoichiometric composition in accordance with the chemical formula from a mixture of oxides Gd, Y, Ga, Al, Mg, Be, as well as the introduction of cerium in the form of a compound taken from the series oxide or fluoride or chloride, as well as Ba or Sr or Ca in the form of carbonate, and the subsequent growth of single crystals from the resulting mixture according to the Czochralski method.
Предпочтительно, что выращивание монокристаллов по методу Чохральского проводят в защитной атмосфере на основе аргона или азота с добавлением кислорода в концентрации из диапазона от 0,0001 до 5 об. %,Preferably, the growth of single crystals by the Czochralski method is carried out in a protective atmosphere based on argon or nitrogen with the addition of oxygen in a concentration from the range from 0.0001 to 5 vol. %
Кроме того, выращенный монокристалл подвергают изотермическому отжигу при температуре из диапазона 500-950°С в течение времени из диапазона не более 100 часов либо на воздухе, либо в атмосфере инертного газа, либо в вакууме.In addition, the grown single crystal is subjected to isothermal annealing at a temperature from the range of 500–950 ° C for a time from the range of not more than 100 hours, either in air or in an inert gas atmosphere or in vacuum.
Сущность изобретения поясняется неограничивающими примерами его реализации, а также таблицами 1 и 2. В таблице 1 приведены основные параметры известных сцинтилляционных материалов.The invention is illustrated by non-limiting examples of its implementation, as well as tables 1 and 2. Table 1 shows the main parameters of known scintillation materials.
В таблице 2 приведены составы и характеристики экспериментальных образцов сцинтилляционных кристаллов в соответствии с данной заявкой.Table 2 shows the compositions and characteristics of experimental samples of scintillation crystals in accordance with this application.
Данные монокристаллы со структурой граната заявленной химической формулы и содержащие группу легирующих и солегирующих примесей для модификации его сцинтилляционных и оптических свойств, получены выращиванием из расплава по методу Чохральского, согласно заявленному способу. Данный способ включает загрузку в тигель предварительно синтезированной шихты, состав которой соответствует составу соединения, описываемому формулой ((Gd1-rYr)1-s-xMesCex)3-z(Ga1-y-qAlyBeq)5+zO12, причем q находится в диапазоне от 0,00001 до 0,02; r находится в диапазоне от 0.05 до 0.95; х находится в диапазоне от 0,001 до 0,01; у находится в диапазоне от 0,2 до 0,6; z находится в диапазоне от -0,2 до 0,2; s находится в диапазоне от 0,0001 до 0,1, при этом Me обозначает, по крайней мере, один элемент из ряда Mg, Ca, Sr, создание защитной атмосферы, последующее расплавление шихты, введение вращающегося затравочного ориентированного кристалла в контакт с поверхностью расплава, вытягивание ориентированного кристалла из расплава. В качестве затравочного ориентированного кристалла используют кристалл граната, наиболее близко соответствующий по составу выращиваемому кристаллу.These single crystals with a pomegranate structure of the claimed chemical formula and containing a group of dopant and salt-containing impurities to modify its scintillation and optical properties were obtained by growing from a melt according to the Czochralski method, according to the claimed method. This method includes loading into a crucible a pre-synthesized charge, the composition of which corresponds to the composition of the compound described by the formula ((Gd 1-r Y r ) 1-sx Me s Ce x ) 3-z (Ga 1-yq Al y Be q ) 5+ z O 12 , and q is in the range from 0.00001 to 0.02; r is in the range from 0.05 to 0.95; x is in the range from 0.001 to 0.01; y is in the range from 0.2 to 0.6; z is in the range from -0.2 to 0.2; s is in the range from 0.0001 to 0.1, with Me denoting at least one element from the series Mg, Ca, Sr, creating a protective atmosphere, subsequent melting of the charge, introducing a rotating seed oriented crystal into contact with the surface of the melt drawing an oriented crystal from a melt. As a seed oriented crystal, a pomegranate crystal is used that most closely matches the composition of the grown crystal.
Для приготовления исходной шихты используют исходные компоненты в виде оксидов или карбонатов исходной чистотой не хуже 99,99%. Содержание примесей в этих исходных компонентах должно быть минимальным и не превышать величины 1 ppm для любого из примесных элементов. Предварительно осушенные исходные оксиды или карбонаты взвешивают в соответствии с химической формулой синтезируемого кристалла, тщательно перемешивают и синтезируют шихту при температуре не менее 1400°С в течение времени не менее 8 часов.To prepare the initial mixture using the original components in the form of oxides or carbonates with an initial purity of not worse than 99.99%. The impurity content in these starting components should be minimal and not exceed 1 ppm for any of the impurity elements. The pre-dried starting oxides or carbonates are weighed in accordance with the chemical formula of the synthesized crystal, thoroughly mixed and the mixture is synthesized at a temperature of at least 1400 ° C for at least 8 hours.
Полученную шихту загружают в иридиевый тигель и помещают в ростовую камеру установки для выращивания монокристаллов.The resulting mixture is loaded into an iridium crucible and placed in the growth chamber of the apparatus for growing single crystals.
Теплоизоляционную керамику размещают вокруг тигля таким образом, чтобы обеспечить теплоизоляцию тигля и оптимальные температурные условия для роста и сохранения выращенного монокристалла. Также на верхний рабочий шток установки выращивания закрепляют затравкодержатель с предварительно ориентированным затравочным кристаллом из гадолиний-алюминий-галлиевого граната. Затем установку закрывают и вакуумируют с последующим напуском защитной атмосферы на основе аргона или азота с незначительным добавлением кислорода в концентрации от 0,0001 до 5 об. %. После этого осуществляют нагрев с заданной скоростью до плавления исходной шихты, гомогенизации расплава путем выдержки его в течение определенного времени от 1 мин до нескольких часов с последующим затравливанием. Затравливание представляет собой процесс контакта затравочного кристалла с поверхностью расплава. Затравочный кристалл при этом вращается с частотой из диапазона 5-30 мин-1. После осуществления затравливания верхний рабочий шток начинает перемещаться вверх с определенной скоростью из диапазона 0,1-5 мм/час. В дальнейшем в соответствии с заданной программой выращивания формируют монокристалл, который при достижении определенного веса отделяют от расплава либо за счет ускоренного перемещения верхнего рабочего штока, либо за счет дополнительного подогрева расплава. Выращенный монокристалл охлаждают до комнатной температуры со скоростью из диапазона 10-100 градусов/час.Thermal insulating ceramics are placed around the crucible in such a way as to ensure thermal insulation of the crucible and optimal temperature conditions for the growth and preservation of the grown single crystal. Also, a seed holder with a pre-oriented seed crystal of gadolinium-aluminum-gallium garnet is fixed to the upper working rod of the growing installation. Then the installation is closed and vacuum, followed by the inlet of a protective atmosphere based on argon or nitrogen with a slight addition of oxygen in a concentration of from 0.0001 to 5 vol. % After that, heating is carried out at a given speed until the initial charge is melted, the melt is homogenized by holding it for a certain time from 1 minute to several hours, followed by seeding. Seeding is the process of contact of a seed crystal with the surface of the melt. The seed crystal in this case rotates with a frequency from the range of 5-30 min -1 . After seeding, the upper working rod begins to move upward at a certain speed from the range of 0.1-5 mm / hour. Subsequently, in accordance with a predetermined growing program, a single crystal is formed, which, upon reaching a certain weight, is separated from the melt either due to the accelerated movement of the upper working rod or due to additional heating of the melt. The grown single crystal is cooled to room temperature with a speed from the range of 10-100 degrees / hour.
Полученный кристалл отжигают на воздухе, либо в атмосфере инертного газа, либо в вакууме при температуре из диапазона 500-950°С в течение интервала времени не более 100 часов.The resulting crystal is annealed in air, either in an inert gas atmosphere or in vacuum at a temperature in the range of 500-950 ° C for a time interval of not more than 100 hours.
Пример 1.Example 1
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd2Y0,968Ce0,03Mg0,002Ga2,9998Al2Be0,0002O12 и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, BeO, MgO.To grow a single crystal by the Czochralski method, we used the initial mixture corresponding to the composition of Gd 2 Y 0.968 Ce 0.03 Mg 0.002 Ga 2.9998 Al 2 Be 0.0002 O 12 and synthesized from a mixture of oxides Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO, MgO.
Пример 2.Example 2
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd1,5Y1,462Ce0,03Mg0,008Ga2,903Al2Be0,097O12 и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, BeO, MgO.To grow a single crystal by the Czochralski method, we used the initial mixture corresponding to the composition of Gd 1.5 Y 1.462 Ce 0.03 Mg 0.008 Ga 2.903 Al 2 Be 0.097 O 12 and synthesized from a mixture of oxides Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO, MgO.
Пример 3.Example 3
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd1Y1,9688Ce0,03Ca0,0012Ga2,9998Al2Be0,002O12 и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, BeO, и карбоната кальция СаСО3.To grow a single crystal by the Czochralski method, we used the initial mixture corresponding to the composition of Gd 1 Y 1.9688 Ce 0.03 Ca 0.0012 Ga 2.9998 Al 2 Be 0.002 O 12 and synthesized from a mixture of oxides Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO, and calcium carbonate CaCO 3 .
Пример 4.Example 4
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd2Y0,74Ce0,03Ca0,23Ga2,903Al2Be0,097O12 и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, BeO и карбоната кальция СаСО3.To grow a single crystal by the Czochralski method, we used the initial mixture corresponding to the composition of Gd 2 Y 0.74 Ce 0.03 Ca 0.23 Ga 2.903 Al 2 Be 0.097 O 12 and synthesized from a mixture of oxides Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO and calcium carbonate CaCO 3 .
Пример 5.Example 5
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd1,9695Y1Ce0,03Sr0,0005Ga2,9998Al2Be0,002O12 и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, BeO, и карбоната стронция SrCO3.To grow a single crystal by the Czochralski method, we used the initial mixture corresponding to the composition Gd 1.9695 Y 1 Ce 0.03 Sr 0.0005 Ga 2.9998 Al 2 Be 0.002 O 12 and synthesized from a mixture of oxides Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO, and strontium carbonate SrCO 3 .
Пример 6.Example 6
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd1,86Y1Ce0,03Sr0,11Ga2,903Al2Be0,097O12 To grow a single crystal according to the Czochralski method, the initial charge corresponding to the composition Gd 1.86 Y 1 Ce 0.03 Sr 0.11 Ga 2.903 Al 2 Be 0.097 O 12 was used
и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, BeO, и карбоната стронция SrCO3.and synthesized from a mixture of oxides Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO, and strontium carbonate SrCO 3 .
Пример 7.Example 7
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd0,9697Y2Ce0,03Ba0,0003Ga2,9998Al2Be0,0002O12 и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, BeO, и карбоната бария ВаСО3.To grow a single crystal by the Czochralski method, we used the initial mixture corresponding to the composition Gd 0.9697 Y 2 Ce 0.03 Ba 0.0003 Ga 2.9998 Al 2 Be 0.0002 O 12 and synthesized from a mixture of oxides Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO, and barium carbonate BaCO 3 .
Пример 8.Example 8
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd1,902Y1Ce0,03Ba0,068Ga2,903Al2Be0,097O12 и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, BeO, и карбоната бария ВаСО3.To grow a single crystal by the Czochralski method, we used the initial mixture corresponding to the composition Gd 1.902 Y 1 Ce 0.03 Ba 0.068 Ga 2.903 Al 2 Be 0.097 O 12 and synthesized from a mixture of oxides Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO, and barium carbonate BaCO 3 .
Пример 9.Example 9
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd1,9888Y1Ce0,01Mg0,0012Ga2,9998Al2Be0,0002O12 и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, BeO, MgO.To grow a single crystal by the Czochralski method, we used the initial mixture corresponding to the composition of Gd 1,9888 Y 1 Ce 0,01 Mg 0,0012 Ga 2,9998 Al 2 Be 0,0002 O 12 and synthesized from a mixture of oxides Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO, MgO.
Пример 10.Example 10
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd1,968Y1Ce0,03Mg0,002Ga3,9998Al1Be0,0002O12 и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, ВеО, MgO.To grow a single crystal by the Czochralski method has been used initial charge, corresponding to composition Gd 1.968 Ce 0.03 Y 1 Mg 3.9998 Al 0.002 Ga 1 O 12 Be 0.0002 and synthesized from a mixture of oxides of Gd 2 O 3, Y 2 O 3, Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO, MgO.
Пример 11.Example 11
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd1,5Y1,4682Ce0,03Mg0,0018Ga1,9998Al3Be0,0002O12 и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, ВеО, MgO.To grow a single crystal by the Czochralski method, we used the initial mixture corresponding to the composition of Gd 1.5 Y 1.4682 Ce 0.03 Mg 0.0018 Ga 1.9998 Al 3 Be 0.0002 O 12 and synthesized from a mixture of oxides Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO, MgO.
Пример 12.Example 12
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Y2,9685Ce0,03Mg0,0015Ga2,9998Al2Be0,00015O12 и синтезированная из смеси оксидов Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, ВеО, MgO.To grow a single crystal by the Czochralski method, we used the initial charge corresponding to the composition Y 2.9685 Ce 0.03 Mg 0.0015 Ga 2.9998 Al 2 Be 0.00015 O 12 and synthesized from a mixture of oxides Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO, MgO.
Пример 13.Example 13
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd2,5681Y0,4Ce0,03Mg0,0019Ga2,9998Al2Be0,0002O12 и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, ВеО, MgO.To grow a single crystal by the Czochralski method, we used the initial mixture corresponding to the composition of Gd 2.5681 Y 0.4 Ce 0.03 Mg 0.0019 Ga 2.9998 Al 2 Be 0.0002 O 12 and synthesized from a mixture of oxides Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO, MgO.
Пример 14.Example 14
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd2,836Y0,07Ce0,03Mg0,0064Ga2,9956Al2Be0,0044O12 и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, ВеО, MgO.To grow a single crystal by the Czochralski method, we used the initial mixture corresponding to the composition of Gd 2.836 Y 0.07 Ce 0.03 Mg 0.0064 Ga 2.9956 Al 2 Be 0.0044 O 12 and synthesized from a mixture of oxides Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO, MgO.
Пример 15.Example 15
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd1,922Y1Ce0,03Mg0,048Ga2,9968Al2Be0,0032O12 и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, ВеО, MgO.To grow a single crystal by the Czochralski method has been used initial charge, corresponding to composition Gd 1.922 Ce 0.03 Y 1 Mg 2.9968 Al 0.048 Ga 2 O 12 Be 0.0032 and synthesized from a mixture of oxides of Gd 2 O 3, Y 2 O 3, Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO, MgO.
Пример 16.Example 16
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd1,952Y1Ce0,01Mg0,038Ga2,5975Al2Be0,0025O12 и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, ВеО, MgO.To grow a single crystal by the Czochralski method has been used initial charge, corresponding to composition Gd 1.952 Ce 0.01 Y 1 Mg 2.5975 Al 0.038 Ga 2 O 12 Be 0.0025 and synthesized from a mixture of oxides of Gd 2 O 3, Y 2 O 3, Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO, MgO.
Пример 17.Example 17
Для выращивания монокристалла по методу Чохральского была использована исходная шихта, соответствующая составу Gd2,824Y0,1Ce0,03Mg0,046Ga2,9972Al2Be0,0028O12 и синтезированная из смеси оксидов Gd2O3, Y2O3, Ga2O3, Al2O3, СеО2, ВеО2, MgO.To grow a single crystal by the Czochralski method, we used the initial mixture corresponding to the composition Gd 2.824 Y 0.1 Ce 0.03 Mg 0.046 Ga 2.9972 Al 2 Be 0.0028 O 12 and synthesized from a mixture of oxides Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , CeO 2 , BeO 2 , MgO.
Из выращенных монокристаллов были изготовлены образцы для проведения измерений в форме дисков диаметром 25 мм и толщиной 7 мм.From the grown single crystals, samples were made for measurements in the form of disks with a diameter of 25 mm and a thickness of 7 mm.
Измерения выхода сцинтилляций проводили стандартным для гамма-спектроскопии методом. Образцы устанавливались на фотоэлектронный умножитель PHILIPS ХР2020 через оптическую иммерсионную смазку, накрывались светоотражателем и облучались гамма-источником Cs-137 с энергией гамма-квантов 662 кэВ. Амплитудные спектры накапливались в многоканальном амплитудном анализаторе. Выход сцинтилляций образцов относительно друг друга определялся как отношение положений пиков полного поглощения гамма-квантов 662 кэВ на шкале амплитудного анализатора.Scintillation yield measurements were carried out by the standard method for gamma spectroscopy. The samples were mounted on a PHILIPS XP2020 photomultiplier tube through optical immersion grease, covered with a reflector, and irradiated with a Cs-137 gamma source with an energy of 662 keV gamma rays. Amplitude spectra were accumulated in a multichannel amplitude analyzer. The scintillation yield of the samples relative to each other was determined as the ratio of the positions of the peaks of total absorption of 662 keV gamma rays on the scale of the amplitude analyzer.
Измерения кинетики сцинтилляций проводили методом задержанных совпадений. Для измерений использовался измерительный стенд на основе источника аннигиляционных гамма-квантов Na-22, двухканальной измерительной установки со «стартовым» каналом на основе сцинтилляционного кристалла CsF и фотоэлектронного умножителя PHILIPS ХР2020, и со «стоповым» каналом на основе фотоэлектронного умножителя PHILIPS XP2020Q. Временная привязка к сигналам фотоэлектронных умножителей осуществлялась двумя формирователями со следящим порогом, сигналы с которых поступали во время-амплитудный преобразователь, преобразующий разницу времен прихода стартового и стоповых сигналов в импульс выходного напряжения с амплитудой, пропорциональной этой разнице, поступающий далее в многоканальный амплитудный анализатор. Измеренные спектры кинетики сцинтилляций обрабатывались в программном пакете ROOT v.5.26, определялись постоянные времени основной компоненты высвечивания и ее вес (доля) в кинетике сцинтилляций.The scintillation kinetics were measured using the delayed coincidence method. For measurements, we used a measuring stand based on a Na-22 annihilation gamma-ray source, a two-channel measuring setup with a “start” channel based on a CsF scintillation crystal and a PHILIPS XP2020 photomultiplier, and a stop channel based on a PHILIPS XP2020Q photomultiplier. Temporal reference to the signals of photoelectronic multipliers was carried out by two shapers with a tracking threshold, the signals from which were fed to a time-amplitude converter, which converts the difference in the arrival times of start and stop signals to an output voltage pulse with an amplitude proportional to this difference, which then goes to a multi-channel amplitude analyzer. The measured scintillation kinetics spectra were processed in the ROOT v.5.26 software package, the time constants of the main emission component and its weight (fraction) in the scintillation kinetics were determined.
Послесвечение измеряли методом, схожим с описанным в (K. Kamada, et al., Alkali earth co-doping effects on luminescence and scintillation properties of Ce doped Gd3A12Ga3O12 scintillator, Opt. Mater. (Amst). 41 (2015) 63-66. doi:10.1016/j.optmat.2014.10.008). Измерения вели в режиме счета фотонов путем измерения скорости счета с фотоэлектронного умножителя PHILIPS ХР2020 через: а) 100 с после остановки облучения образца источником рентгеновского излучения в течение 15 минут Sa, б) измерения скорости счета непосредственно перед прекращением облучения образца Sb и в) измерения «темновой» скорости счета без установленного на фотоэлектронный умножитель образца Sc. Образцы устанавливали на фотоэлектронный умножитель через оптическую диафрагму диаметром 1 мм для уменьшения максимальной скорости счета и недопущения пропуска импульсов при определении скорости счета при облучении образца. Скорость счета измеряли с помощью цифрового частотомера. Порог дискриминации частотомера выставляли настолько низко, чтобы захватить большую часть отсчетов в одноэлектронном пике фотоэлектронного умножителя, но при этом избежать регистрации малоамплитудных электронных шумов. Уровень фосфоресценции определяли как выраженное в процентах отношение скоростей счета (Sa - Sc)/(Sb - Sc).Afterglow was measured by a method similar to that described in (K. Kamada, et al., Alkali earth co-doping effects on luminescence and scintillation properties of cadoped Gd3A12Ga3O12 scintillator, Opt. Mater. (Amst). 41 (2015) 63-66. doi: 10.1016 / j.optmat.2014.10.10.008). The measurements were carried out in the photon counting mode by measuring the counting speed from a PHILIPS XP2020 photomultiplier tube: a) 100 s after stopping the irradiation of the sample with an X-ray source for 15 minutes Sa, b) measuring the counting speed immediately before the irradiation of the Sb sample, and c) measurement " dark "count rate without a sample installed on the photomultiplier tube Sc. Samples were mounted on a photomultiplier tube through an optical diaphragm with a diameter of 1 mm in order to reduce the maximum count rate and to prevent the transmission of pulses when determining the count rate during irradiation of the sample. The count rate was measured using a digital frequency meter. The discrimination threshold of the frequency meter was set so low as to capture most of the samples at the single-electron peak of the photomultiplier tube, but at the same time avoid registration of low-amplitude electronic noise. The phosphorescence level was determined as the percentage ratio of the count rates (Sa - Sc) / (Sb - Sc).
Использование данного изобретения позволяет получить монокристалл со структурой граната для сцинтилляционных датчиков, обладающий в диапазоне температур от плюс 25°С до плюс 150°С, включительно, следующими характеристиками:The use of this invention allows to obtain a single crystal with a garnet structure for scintillation sensors, having in the temperature range from plus 25 ° C to plus 150 ° C, inclusive, the following characteristics:
Световыход при температуре плюс 25°С, не менее 51000 фот/МэВ;Light output at a temperature of plus 25 ° C, not less than 51000 ph / MeV;
Световыход при температуре плюс 150°С, не менее 20000 фот/МэВ;Light output at a temperature of plus 150 ° C, not less than 20,000 ph / MeV;
Длительность основной компоненты кинетики сцинтилляций - не более 55 нс;The duration of the main component of the kinetics of scintillation is not more than 55 ns;
Доля основной компоненты кинетики сцинтилляций - не менее 89%;The proportion of the main component of the kinetics of scintillation is at least 89%;
Уровень фосфоресценции через 100 с, % - не более 0,5%;The phosphorescence level after 100 s,% - not more than 0.5%;
Преимущества данного изобретения обеспечиваются тем, что в результате совместной активации иттрий-гадолиний-алюминий-галлиевого граната, описываемого формулой ((Gd1-rYr)1-s-xMesCex)3-z(Ga1-y-qAlyBeq)5+zO12, ионами церия, бериллия и одного из металлов из ряда Mg, Ca, Sr в заданном диапазоне концентраций, где q находится в диапазоне от 0,00001 до 0,02; r находится в диапазоне от 0.05 до 0.95; х находится в диапазоне от 0,001 до 0,01; у находится в диапазоне от 0,2 до 0,6; z находится в диапазоне от -0,2 до 0,2; s находится в диапазоне от 0,0001 до 0,1, при этом Me обозначает, по крайней мере, один элемент из ряда Mg, Ca, Sr, увеличивается выход сцинтилляций в широком диапазоне температур от плюс 25°С до плюс 150°С, включительно, и, как следствие, улучшается энергетическое разрешение при регистрации γ-квантов с энергией в широком диапазоне температур, в частности γ-квантов с энергией больше 500 кэВ. Это позволяет расширить возможности использования сцинтилляционного материала в областях, где требуется высокое энергетическое разрешение в диапазоне температур до плюс 150°С, включительно.The advantages of this invention are provided by the fact that as a result of the joint activation of yttrium-gadolinium-aluminum-gallium garnet, described by the formula ((Gd 1-r Y r ) 1-sx Me s Ce x ) 3-z (Ga 1-yq Al y Be q ) 5 + z O 12 , ions of cerium, beryllium and one of the metals from the series Mg, Ca, Sr in a given concentration range, where q is in the range from 0.00001 to 0.02; r is in the range from 0.05 to 0.95; x is in the range from 0.001 to 0.01; y is in the range from 0.2 to 0.6; z is in the range from -0.2 to 0.2; s is in the range from 0.0001 to 0.1, while Me denotes at least one element from the series Mg, Ca, Sr, scintillation yield increases over a wide temperature range from plus 25 ° С to plus 150 ° С, inclusive, and, as a result, the energy resolution is improved when registering γ-quanta with energy in a wide temperature range, in particular γ-quanta with an energy of more than 500 keV. This allows expanding the possibilities of using scintillation material in areas where a high energy resolution is required in the temperature range up to plus 150 ° С, inclusive.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020105233A RU2723395C1 (en) | 2020-02-04 | 2020-02-04 | Scintillation material and method for its production |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020105233A RU2723395C1 (en) | 2020-02-04 | 2020-02-04 | Scintillation material and method for its production |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2723395C1 true RU2723395C1 (en) | 2020-06-11 |
Family
ID=71095799
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020105233A RU2723395C1 (en) | 2020-02-04 | 2020-02-04 | Scintillation material and method for its production |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2723395C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112573905A (en) * | 2020-12-24 | 2021-03-30 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | Anion-doped garnet scintillator and preparation method and application thereof |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2646407C1 (en) * | 2017-06-02 | 2018-03-05 | Открытое акционерное общество "ФОМОС-МАТЕРИАЛС" | Monocrystal with garnet structure for scintillation sensors and method of its production |
JP2019048765A (en) * | 2013-01-23 | 2019-03-28 | ユニバーシティ オブ テネシー リサーチ ファウンデーション | Co-doping method to modify the scintillation and optical properties of garnet-type scintillators |
-
2020
- 2020-02-04 RU RU2020105233A patent/RU2723395C1/en active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019048765A (en) * | 2013-01-23 | 2019-03-28 | ユニバーシティ オブ テネシー リサーチ ファウンデーション | Co-doping method to modify the scintillation and optical properties of garnet-type scintillators |
RU2646407C1 (en) * | 2017-06-02 | 2018-03-05 | Открытое акционерное общество "ФОМОС-МАТЕРИАЛС" | Monocrystal with garnet structure for scintillation sensors and method of its production |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
MASAO YOSHINO et al. Effect of Mg co-doping on scintillation properties of Ce:Gd3(Ga, Al)5O12 single crystals with various Ga/Al ratios, "Journal of Crystal Growth", 2017, Vol. 468, pp 420-423. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112573905A (en) * | 2020-12-24 | 2021-03-30 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | Anion-doped garnet scintillator and preparation method and application thereof |
CN112573905B (en) * | 2020-12-24 | 2023-01-13 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | Anion-doped garnet scintillator and preparation method and application thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2494416C2 (en) | Scintillator for detecting neutrons and neutron detector | |
US20120119092A1 (en) | Scintillating material having low afterglow | |
EP3221718B1 (en) | Novel thallium doped sodium, cesium or lithium iodide scintillators | |
US7525100B2 (en) | Bright and fast neutron scintillators | |
Wu et al. | CsI: Tl+, Yb 2+: ultra-high light yield scintillator with reduced afterglow | |
RU2646407C1 (en) | Monocrystal with garnet structure for scintillation sensors and method of its production | |
US10174247B2 (en) | Illuminant and radiation detector | |
Shah et al. | LuI/sub 3: Ce-a new scintillator for gamma ray spectroscopy | |
Wolszczak et al. | Nonproportional response of scintillators to alpha particle excitation | |
US7767971B2 (en) | High light yield fast scintillator | |
Fujimoto et al. | Luminescence and scintillation properties of TlCdCl3 crystal | |
Rebrova et al. | Crystal growth and characterization of Eu2+ doped RbCaX3 (X= Cl, Br) scintillators | |
Soundara-Pandian et al. | Lithium alkaline halides—next generation of dual mode scintillators | |
Wang et al. | Optical and scintillation properties of Ce-doped (Gd2Y1) Ga2. 7Al2. 3O12 single crystal grown by Czochralski method | |
Chewpraditkul et al. | Optical and scintillation properties of LuGd2Al2Ga3O12: Ce, Lu2GdAl2Ga3O12: Ce, and Lu2YAl2Ga3O12: Ce single crystals: A comparative study | |
Wisniewski et al. | Rb3Lu (PO4) 2: Ce and Cs3Lu (PO4) 2: Ce–new promising scintillator materials | |
Wu et al. | Crystal structure, electronic structure, temperature-dependent optical and scintillation properties of CsCe 2 Br 7 | |
RU2723395C1 (en) | Scintillation material and method for its production | |
Glodo et al. | Dual gamma neutron detection with Cs [sub] 2 [/sub] LiLaCl [sub] 6 [/sub] | |
Rooh et al. | Tl 2 GdCl 5 (Ce 3+): A New Efficient Scintillator for X-and $\gamma $-Ray Detection | |
Raja et al. | Difficulties and improvement in growth of Europium doped Strontium Iodide (SrI2: Eu2+) scintillator single crystal for radiation detection applications | |
Donnald et al. | Correlation of Nonproportionality and Scintillation Properties with Cerium Concentration in YAlO 3: Ce | |
Miyazaki et al. | Cu-doped LiCl scintillator for thermal neutron detection | |
Khan et al. | Improvements in scintillation performance of Tl 2 LaCl 5: 5% Ce single crystals via Sr 2+, Ba 2+ and Ca 2+ co-doping | |
Cherepy et al. | Barium iodide single-crystal scintillator detectors |